CN106455036A - 一种基于定向波束的无线网络主从同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于定向波束的无线网络主从同步方法。该方法将网络中发起时间同步的节点记为主节点，相应地将与主节点同步的节点记为从节点，并根据定向波束传输的特点，将主从同步过程划分为粗同步和精同步两个阶段。粗同步阶段，主节点通过定向广播粗同步帧发起同步过程；精同步阶段，成功接收到粗同步帧的从节点与主节点通过精同步请求帧和精同步应答帧的定向交互，消除时钟偏差，实现时间同步。从节点与主节点完成时间同步后，将自身作为主节点继续向邻居节点定向广播粗同步帧，发起与邻居节点间的同步过程，进而实现全网络节点间的时间同步。无线网络仿真环境EXata中的仿真实验证明了该方法的有效性。

Description

一种基于定向波束的无线网络主从同步方法

技术领域

本发明属于无线网络领域，特别涉及基于定向波束的无线网络主从同步方法。

背景技术

节点同步是实现全网同步定向接入必须解决的首要问题。虽然全球定位系统可以为网络节点提供时间同步，但由于特定无线网络环境下，如战场对抗环境，全球定位系统信号具有不可靠性，因而网络必须具备自行实现网同步的能力。根据同步发起方式的不同，现有的网同步协议可分为互同步和主从同步两种类型。其中，前者采用节点随机竞争发送同步信标帧的方法实现分布式网同步；后者则依赖于固定时钟参考节点发起的逐级同步过程，将同步时间信息逐跳传递给全网节点。与主从同步协议相比，互同步协议具有更大的灵活性。然而，互同步协议的性能主要取决于节点随机竞争发送同步信标帧的效率。相比之下，以降低一定的灵活性为代价，在多跳定向网络中采用主从同步协议更易于实现全网节点高效同步。同时，当无线网络单跳传输距离远、传播时延大时，同步协议还必须采用两次握手的方法，消除主从节点之间信号传播时延导致的同步偏差，提高全网节点的同步精度。

在现有针对全网同步定向接入协议的研究工作中，研究人员通常假定全网节点已通过全球定位系统，或采用基于全向通信方式的网同步协议实现了同步，尚未提出基于定向通信方式的网同步协议。本发明即针对多跳定向无线网络，提出基于定向波束的主从同步方法，该方法将主从节点间的同步过程划分为粗同步和精同步两个阶段。粗同步阶段，主节点通过定向广播粗同步帧发起同步过程；精同步阶段，成功接收到粗同步帧的从节点与主节点通过精同步请求帧和精同步应答帧的定向交互，消除时钟偏差，实现时间同步。从节点与主节点完成时间同步后，将自身作为主节点继续向邻居节点定向广播粗同步帧，发起与邻居节点间的同步过程，进而实现全网络节点间的时间同步。

发明内容

本发明的目的是针对多跳定向无线网络，提出一种基于定向波束的主从同步方法，使得网络节点能够在定向通信条件下有效完成全网时间同步。为了实现该目的，本发明所采用的步骤是：

步骤1：将网络中发起时间同步的节点记为主节点，相应地将与主节点同步的节点记为从节点，根据定向波束传输的特点，将主从同步过程划分为粗同步和精同步两个阶段，其中，粗同步阶段用于主节点定向广播粗同步帧，发起时间同步，精同步阶段用于成功接收到粗同步帧的从节点与主节点完成精同步定向请求和定向应答，消除时钟偏差，实现时间同步。

步骤2：粗同步阶段，主节点定向广播粗同步帧，发起时间同步，主节点同时在6副天线中依次变换天线波束，并在每个波束上定向广播粗同步帧，网络中的初始主节点由节点号最小的节点担任，主节点每广播完一个粗同步帧即开启定时器WAT，在当前天线的当前波束上等待接收从节点发送的精同步请求帧，定时器的值T_WAT设定为W×T_slot+T_{a_req}+2×T_prop，其中，W为退避竞争窗口值，T_slot为节点退避时空闲时隙的长度，T_{a_req}为精同步请求帧的传输时间，T_prop为信号最大传播时延；如果在T_WAT时间内信道持续空闲，主节点则在定时器超时后切换到下一个波束继续广播粗同步帧，如果在T_WAT时间内信道变忙，主节点则尝试接收从节点发送的精同步请求帧；对于网络中的从节点，粗同步阶段持续全向监听信道，等待接收主节点发送的粗同步帧，从节点一旦接收到粗同步帧，则立即切换到定向工作模式，并调整天线波束对准主节点。

步骤3：精同步阶段，从节点和主节点完成精同步定向请求和定向应答，消除时钟偏差，实现时间同步，从节点接收完粗同步帧后，在精同步阶段向主节点定向发送精同步请求帧，并记录精同步请求帧的发送时刻；主节点接收到从节点发送的精同步请求帧时，记录接收到精同步请求帧的时刻，并向从节点定向回复精同步应答帧，精同步应答帧中携带接收到从节点精同步请求帧的时刻值和主节点发送精同步应答帧的时刻值；从节点接收到主节点发送的精同步应答帧时，记录接收到精同步应答帧的时刻，并根据自身精同步请求帧发送的时刻以及精同步应答帧中携带的时刻值计算本地时间与主节点时间之间的偏差，并对自身时钟进行修正，完成与主节点之间的时间同步。

步骤4：从节点与主节点完成时间同步后，将自身作为主节点继续向邻居节点定向广播粗同步帧，供尚未实现同步的邻居节点完成时间同步；从节点与主节点完成时间同步后，将自身作为主节点继续向邻居节点定向广播粗同步帧，邻居节点中尚未实现同步的节点，即可按照步骤2、步骤3完成与主节点之间的同步；当主节点6副天线中所有波束在发送完粗同步帧后均没有接收到从节点发送的精同步请求帧，则判定本主节点周围所有邻居节点均完成了时间同步；重复步骤4直至网络中所有的节点都完成时间同步，全网同步过程结束。

本发明提出的基于定向波束的主从同步方法已经在EXata网络仿真环境中实现。分别考虑50km×50km和100km×100km的仿真区域，节点定向发送全向接收条件下信号的有效传输距离为30km，考查不同网络规模条件下全网节点基于定向波束完成网同步所需的时间。分别考虑网络节点数为20、24、28、32和36的情形，网络中的节点随机均匀分布在仿真区域内，仿真结果如附图2所示。由图中可以看出，相同网络节点数条件下，节点随机均匀分布在100km×100km的区域完成网同步所需时间大于节点随机均匀分布在50km×50km的区域完成网同步所需时间，这是因为100km×100km的区域条件下，全网节点分布范围更广，将同步时间信息传递给全网节点所需的跳数更多，相应地完成网同步所需的时间也就更长，但两种仿真区域条件下，本发明提出的基于定向波束的主从同步方法均能保证全网节点有效完成网同步，仿真结果证明了本发明所提出方法的有效性。

附图说明

图1是主从同步过程示意图；

图2是不同网络规模条件下，全网节点网同步完成的时间。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

本发明提出的基于定向波束的无线网络主从同步方法设定了以下网络运行条件：

1、网络中每个节点安装6副天线，实现前、后、上、下、左、右空域的覆盖，每个天线覆盖120°的空域；

2、节点每副天线包含M个波束，M的值由波束宽度决定，每副天线同一时刻只能产生一个波束；

3、节点6副天线可以同时工作，即可以同时产生6个波束；

4、节点既可以工作在全向模式，也可以工作在定向模式，全向工作模式用于全向监听信道和全向接收数据，定向工作模式用于定向监听信道和定向收发数据。

本发明提出的基于定向波束的无线网络主从同步方法已经在无线网络仿真环境EXata中实现，并通过仿真结果证明了该方法的有效性。下面给出本发明的具体实施步骤：

步骤1：划分同步阶段。

本发明将网络中发起时间同步的节点记为主节点，相应地将与主节点同步的节点记为从节点。根据定向波束传输的特点，本发明将主从同步过程划分为粗同步和精同步两个阶段。其中，粗同步阶段用于主节点定向广播粗同步帧，发起时间同步；精同步阶段用于成功接收到粗同步帧的从节点与主节点完成精同步定向请求和定向应答，消除时钟偏差，实现时间同步。

步骤2：粗同步阶段，主节点定向广播粗同步帧，发起时间同步。

粗同步阶段，主节点同时在6副天线中依次变换天线波束，并在每个波束上定向广播粗同步帧。网络中的初始主节点由节点号最小的节点担任。主节点每广播完一个粗同步帧即开启定时器WAT，在当前天线的当前波束上等待接收从节点发送的精同步请求帧。定时器的值T_WAT设定为

T_WAT＝W×T_slot+T_{a_req}+2×T_prop (1)

其中，W为退避竞争窗口值，T_slot为节点退避时空闲时隙的长度，T_{a_req}为精同步请求帧的传输时间，T_prop为信号最大传播时延。如果在T_WAT时间内信道持续空闲，主节点则在定时器超时后切换到下一个波束继续广播粗同步帧；如果在T_WAT时间内信道变忙，主节点则尝试接收从节点发送的精同步请求帧。

对于网络中的从节点，粗同步阶段持续全向监听信道，等待接收主节点发送的粗同步帧。从节点一旦接收到粗同步帧，则立即切换到定向工作模式，并调整天线波束对准主节点。

步骤3：精同步阶段，从节点和主节点完成精同步定向请求和定向应答，消除时钟偏差，实现时间同步。

从节点接收完粗同步帧后，在精同步阶段向主节点定向发送精同步请求帧，并记录精同步请求帧的发送时刻。为了避免多个从节点同时发送精同步请求帧导致主节点接收精同步请求帧时的冲突，从节点在发送精同步请求帧之前，需要在[0，W-1]内选择一个随机值，作为发送前退避计数器的值。从节点在退避时间内持续定向监听信道，如果信道保持空闲，则在退避时间结束后向主节点定向发送精同步请求帧；如果信道变忙，则暂停退避，等待信道再次变空闲后继续退避。如附图1所示，从节点t₁时刻接收到粗同步帧，接收完毕后，随机等待T_BO时间，t₂时刻向主节点定向发送精同步请求帧，并记录t₂的值。

从节点发送完精同步请求帧后，开启定时器，等待接收主节点回复的精同步应答帧。从节点如果在定时器超时时，仍未接收到主节点回复的精同步应答帧，则重新选择退避计数器的值，继续退避再次尝试发送精同步请求帧。如果多次发送精同步请求帧均未接收到主节点回复的精同步应答帧，从节点则不再继续发送精同步请求帧，而是切换到全向工作模式，持续监听信道，等待接收其他主节点广播的粗同步帧。

主节点接收到从节点发送的精同步请求帧时，记录接收到精同步请求帧的时刻，并向从节点定向回复精同步应答帧。精同步应答帧中携带接收到从节点精同步请求帧的时刻值和主节点发送精同步应答帧的时刻值。从节点接收到主节点发送的精同步应答帧时，记录接收到精同步应答帧的时刻，并根据自身精同步请求帧发送的时刻以及精同步应答帧中携带的时刻值计算本地时间与主节点时间之间的偏差，并对自身时钟进行修正。如附图1所示，主节点接收到从节点发送的精同步请求帧的时刻为t₃，向从节点定向回复精同步应答帧的时刻为t₄，从节点接收到主节点回复的精同步应答帧的时刻为t₅，则从节点与主节点之间的时间偏差Diff可以表示为

从节点在自身时钟的基础上加上Diff时间对自身时钟进行调整即实现了与主节点之间的时间同步。

步骤4：从节点与主节点完成时间同步后，将自身作为主节点继续向邻居节点定向广播粗同步帧，供尚未实现同步的邻居节点完成时间同步。

从节点与主节点完成时间同步后，将自身作为主节点继续向邻居节点定向广播粗同步帧。邻居节点中尚未实现同步的节点，即可按照步骤2、步骤3完成与主节点之间的同步。当主节点6副天线中所有波束在发送完粗同步帧后均没有接收到从节点发送的精同步请求帧，则判定本主节点周围所有节点均完成了时间同步。重复步骤4直至网络中所有的节点都完成时间同步，全网同步过程结束。

本发明申请书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (2)

1.一种基于定向波束的无线网络主从同步方法，所采用的步骤是：

步骤1：将网络中发起时间同步的节点记为主节点，相应地将与主节点同步的节点记为从节点，根据定向波束传输的特点，将主从同步过程划分为粗同步和精同步两个阶段，其中，粗同步阶段用于主节点定向广播粗同步帧，发起时间同步，精同步阶段用于成功接收到粗同步帧的从节点与主节点完成精同步定向请求和定向应答，消除时钟偏差，实现时间同步；

步骤2：粗同步阶段，主节点定向广播粗同步帧，发起时间同步，主节点同时在6副天线中依次变换天线波束，并在每个波束上定向广播粗同步帧，网络中的初始主节点由节点号最小的节点担任，主节点每广播完一个粗同步帧即开启定时器WAT，在当前天线的当前波束上等待接收从节点发送的精同步请求帧，定时器的值T_WAT设定为W×T_slot+T_{a_req}+2×T_prop，其中，W为退避竞争窗口值，T_slot为节点退避时空闲时隙的长度，T_{a_req}为精同步请求帧的传输时间，T_prop为信号最大传播时延；如果在T_WAT时间内信道持续空闲，主节点则在定时器超时后切换到下一个波束继续广播粗同步帧，如果在T_WAT时间内信道变忙，主节点则尝试接收从节点发送的精同步请求帧；对于网络中的从节点，粗同步阶段持续全向监听信道，等待接收主节点发送的粗同步帧，从节点一旦接收到粗同步帧，则立即切换到定向工作模式，并调整天线波束对准主节点；

步骤3：精同步阶段，从节点和主节点完成精同步定向请求和定向应答，消除时钟偏差，实现时间同步，从节点接收完粗同步帧后，在精同步阶段向主节点定向发送精同步请求帧，并记录精同步请求帧的发送时刻；主节点接收到从节点发送的精同步请求帧时，记录接收到精同步请求帧的时刻，并向从节点定向回复精同步应答帧，精同步应答帧中携带接收到从节点精同步请求帧的时刻值和主节点发送精同步应答帧的时刻值；从节点接收到主节点发送的精同步应答帧时，记录接收到精同步应答帧的时刻，并根据自身精同步请求帧发送的时刻以及精同步应答帧中携带的时刻值计算本地时间与主节点时间之间的偏差，并对自身时钟进行修正，完成与主节点之间的时间同步；

步骤4：从节点与主节点完成时间同步后，将自身作为主节点继续向邻居节点定向广播粗同步帧，供尚未实现同步的邻居节点完成时间同步；从节点与主节点完成时间同步后，将自身作为主节点继续向邻居节点定向广播粗同步帧，邻居节点中尚未实现同步的节点，即可按照步骤2、步骤3完成与主节点之间的同步；当主节点6副天线中所有波束在发送完粗同步帧后均没有接收到从节点发送的精同步请求帧，则判定本主节点周围所有邻居节点均完成了时间同步；重复步骤4直至网络中所有的节点都完成时间同步，全网同步过程结束。

2.根据权利要求1所述的一种基于定向波束的无线网络主从同步方法，其特征在于精同步阶段，从节点和主节点完成精同步定向请求和定向应答，消除时钟偏差，实现时间同步的具体方法为：

从节点粗同步阶段接收完主节点广播的粗同步帧后，在精同步阶段向主节点定向发送精同步请求帧，并记录精同步请求帧的发送时刻，为了避免多个从节点同时发送精同步请求帧导致主节点接收精同步请求帧时的冲突，从节点在发送精同步请求帧之前，需要在[0，W-1]内选择一个随机值，作为发送前退避计数器的值，从节点在退避时间内持续定向监听信道，如果信道保持空闲，则在退避时间结束后向主节点定向发送精同步请求帧，如果信道变忙，则暂停退避，等待信道再次变空闲后继续退避；

从节点发送完精同步请求帧后，开启定时器，等待接收主节点回复的精同步应答帧，从节点如果在定时器超时时，仍未接收到主节点回复的精同步应答帧，则重新选择退避计数器的值，继续退避，再次尝试发送精同步请求帧，如果多次发送精同步请求帧均未接收到主节点回复的精同步应答帧，从节点则不再继续发送精同步请求帧，而是切换到全向工作模式，持续监听信道，等待接收其他主节点广播的粗同步帧；

主节点接收到从节点发送的精同步请求帧时，记录接收到精同步请求帧的时刻，并向从节点定向回复精同步应答帧，精同步应答帧中携带接收到从节点精同步请求帧的时刻值和主节点发送精同步应答帧的时刻值，从节点接收到主节点发送的精同步应答帧时，记录接收到精同步应答帧的时刻，并根据自身精同步请求帧发送的时刻以及精同步应答帧中携带的时刻值计算本地时间与主节点时间之间的偏差，并对自身时钟进行修正；设从节点精同步请求帧的发送时刻为t₂，主节点接收到从节点发送的精同步请求帧的时刻为t₃，主节点向从节点定向回复精同步应答帧的时刻为t₄，从节点接收到主节点回复的精同步应答帧的时刻为t₅，则从节点与主节点之间的时间偏差Diff可以表示为

$DifF=\frac{(t_3-t_2)-(t_5-t_4)}{2}---\left(1\right)$

从节点在自身时钟的基础上加上Diff时间对自身时钟进行调整即实现了与主节点之间的时间同步。